USB在汽車(chē)中的應用

消費電子和汽車(chē)電子的匯聚，包括作為系統內串行總線(xiàn)的USB協(xié)議的采用將會(huì )繼續下去。USB提供了一個(gè)具有成本效益的和令人理解的接口，在消費者和汽車(chē)系統之間建立了聯(lián)系。

20世紀末，毋庸置疑最成功和最廣泛使用的串行接口就是通用串行總線(xiàn)（USB）。其成功的秘訣是其簡(jiǎn)單化、實(shí)用化及廣大用戶(hù)的廣泛采用。表面上，設計者能選擇的標準化物理連接器僅有幾個(gè)。連接器本身表明了USB應用（即主機或設備）的“風(fēng)格”。利用這個(gè)簡(jiǎn)單的四線(xiàn)接口（VCC、D+、 D-、 GND），提供了一個(gè)功率為2.5W以及串行數據時(shí)鐘速率為480MBps的節點(diǎn)。該標準在一個(gè)總線(xiàn)上能支持127個(gè)設備。協(xié)議包括一個(gè)“即插即用”功能（如列舉），這有利于軟件和驅動(dòng)器的握手和兼容性。正是由于這些功能的特點(diǎn)，使USB1.0在1996年得到了迅速采用，1998年修訂為1.1，后來(lái)在2000年4月又增強到2.0修訂版。

2007年，USB設備的安裝量達到了10億臺，每年將以近1.5億臺的速度增長(cháng)。USB取代了筆記本電腦背后的DB-9連接器。用一個(gè)小拇指大小的驅動(dòng)器，USB就能交換上百兆的文件?？傊?，USB改變了個(gè)人計算、數碼相機和便攜式媒體市場(chǎng)?，F在，USB在汽車(chē)上的應用正在不斷出現。

有線(xiàn)USB應用

歷史表明，便攜式媒體很可能是從消費領(lǐng)域跨越到汽車(chē)行業(yè)的第一個(gè)USB應用。一旦消費者能把歌曲、視頻和圖片一起帶到任何他們去的地方，他們自然想在汽車(chē)中訪(fǎng)問(wèn)這些文件。但是，USB在汽車(chē)領(lǐng)域的出現不僅僅是把汽車(chē)的子系統看作一個(gè)移動(dòng)PC。它需要一個(gè)廣泛接受、采納和理解的串行通信機制，并且使之適應汽車(chē)環(huán)境的運行和系統級要求。

USB首次在汽車(chē)中的應用是以配件的形式于2001年出現的。這些配件的大多數根本不是USB，只是將iPod或類(lèi)似的媒體設備連接到移動(dòng)音頻系統的專(zhuān)用接口。隨著(zhù)消費者對這類(lèi)系統需求的增加以及更通用標準的出現，USB方案開(kāi)始真正應用于汽車(chē)，這也是其在個(gè)人媒體以外的應用。

USB應用于汽車(chē)診斷系統上是一個(gè)趨勢，這種趨勢在未來(lái)的五至七年還會(huì )增長(cháng)。通信端口不是一個(gè)新概念，它有助于維修技術(shù)人員將一個(gè)專(zhuān)用測試設備接到汽車(chē)控制局域網(wǎng)（CAN）總線(xiàn)的診斷端口。汽車(chē)上的車(chē)載自動(dòng)診斷系統（ODB）接口標準已經(jīng)有超過(guò)25年的時(shí)間了。隨著(zhù)這些網(wǎng)絡(luò )從ODB標準轉移到USB，它們最終將降低服務(wù)、維護和保證成本的原因有兩個(gè)。第一個(gè)原因是：考慮控制器、物理層收發(fā)器、相關(guān)計時(shí)元件和連接器時(shí)，USB的每個(gè)設備節點(diǎn)的成本要低于CAN節點(diǎn)的1/2。第二個(gè)原因是：低成本硬件（如PC、PDA，等等）和軟件的廣泛應用可用來(lái)開(kāi)發(fā)低成本的診斷設備。傳統ODB方法與新型USB方法的對比如圖1所示。

總線(xiàn)內USB的應用

USB的更有創(chuàng )造性的應用開(kāi)始出現在汽車(chē)應用中。與汽車(chē)電子應用中的傳統電子控制單元（ECU）相比，現代汽車(chē)上的車(chē)載智能通信系統控制臺越來(lái)越像一個(gè)嵌入式PC，采用了集成了駕駛信息、導航和娛樂(lè )系統。由于這種構架的轉變，USB接口在總線(xiàn)內連接方面的應用越來(lái)越普遍。也就是說(shuō)，不用電纜，而是用普通印刷電路板（PCB）上的電路線(xiàn)跡，USB設備就可連接到主機上。盡管這與傳統的有線(xiàn)USB拓撲結構不同，它還是有很多優(yōu)點(diǎn)。

其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：它能提供一個(gè)共用標準，這樣，原始設備制造商就能將附件或選件連接到工廠(chǎng)安裝的設備。在共用總線(xiàn)上，用戶(hù)還可以選擇安裝語(yǔ)音識別系統、手機連接、語(yǔ)音郵件和因特網(wǎng)，有助于實(shí)現更高靈活性的定制，而沒(méi)有與此可配置級別有關(guān)的傳統支出。

在音頻系統和車(chē)載智能通信系統之間的橋接應用方面也有顯著(zhù)增長(cháng)。例如，今天許多導航設備既能向駕駛者提供聲頻導航，又能接收來(lái)自駕駛者的音頻指令（例如“請帶我去最近的加油站”）。在這些情況下，諸如Silicon Labs C8051F340的微控制器能為導航或車(chē)載智能通信系統控制臺總線(xiàn)和音頻子系統的脈碼調制（PCM）總線(xiàn)提供一個(gè)USB橋接。這種方法支持揚聲器和麥克風(fēng)之間的全雙工音頻通信，如圖2所示。

使用通用USB驅動(dòng)器和傳輸類(lèi)型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化這類(lèi)系統的開(kāi)發(fā)。在PCM音頻橋接例子中，使用標準USB音頻設備類(lèi)（如0x01）能大大降低定制音頻驅動(dòng)器所需的軟件開(kāi)發(fā)難度。實(shí)際上，利用一個(gè)預定義類(lèi)，原始設備制造商能開(kāi)發(fā)與車(chē)載智能通信系統控制臺兼容的、基于不同操作系統的模塊（如Windows CE、Linux，等等），這將進(jìn)一步降低總開(kāi)發(fā)成本，使之對各種用戶(hù)更有吸引力。

汽車(chē)的挑戰

USB2.0標準支持三個(gè)傳輸速度類(lèi)型，即低速、全速和高速。這些不同類(lèi)型的串行傳輸速率分別為1.5Mbps、12Mbps和480Mbps。

USB信號是用兩線(xiàn)配置進(jìn)行傳輸的，在有線(xiàn)連接中通常采用雙絞線(xiàn)，阻抗為90Ω ±15%，標定為D+和D−。這些共同使用半雙工差分信號，以抵抗較長(cháng)線(xiàn)路上的電磁干擾效應。對于低邏輯，發(fā)射信號水平定義為0.0–0.3V，對于高邏輯，發(fā)射信號水平定義為2.8–3.6V。在低速和全速模式中，電纜是沒(méi)有端接的，但是，高速模式對地的端接為45Ω，或90Ω差分，以匹配與數據電纜阻抗。

在汽車(chē)生態(tài)系統中采用USB的一些最大挑戰就是使物理接口適應汽車(chē)的高可靠性環(huán)境。大多數有線(xiàn)互連需要遵循與USCAR-30類(lèi)似的設計指南，或者類(lèi)似的地區標準。在汽車(chē)USB系統的設計和物理應用方面，必須要考慮振動(dòng)、溫度周期變化、沖擊和其他環(huán)境危險。諸如Delphi的汽車(chē)供應商提供了能解決這些許多設計挑戰的物理接口。

對于用于汽車(chē)的半導體元件，諸如AEC-Q100的電氣認證是強制性的。此外，它也是對符合ISO/TS16949標準的整個(gè)供應鏈的一個(gè)要求，從而進(jìn)一步加大USB元件汽車(chē)供應商及其較小商業(yè)競爭對手的差異化。

在汽車(chē)環(huán)境中，ESD、EMI、EMC和高壓保護也是滿(mǎn)足USB設備要求所必須解決的技術(shù)挑戰。在這些應用中，也非常需要具有集成保護、穩壓器、時(shí)鐘恢復機制和物理層端接的單片解決方案。

結論

消費電子和汽車(chē)電子的匯聚，包括作為系統內串行總線(xiàn)的USB協(xié)議的采用將會(huì )繼續下去。USB提供了一個(gè)具有成本效益的和令人理解的接口，在消費者和汽車(chē)系統之間建立了聯(lián)系。